Vespel^® und Polyimide (PI)

Eine besondere Werkstofffamilie für die außerordentlichsten Kunststoffteile

Eine besondere Werkstofffamilie für die außerordentlichsten Kunststoffteile

Vespel^® ist eine eingetragene Produktmarke, unter der DuPont verschiedene ähnliche Polyimid Werkstoffe vertreibt. Das Besondere an Vespel^® ist, dass es keinen Schmelzpunkt hat. Zudem hat es eine Glasübergangstemperatur, die extrem nah an der Zersetzungstemperatur liegt. Vespel^® bleibt so bei bis zu 500 Grad Celsius einsetzbar, weshalb es in Flugtriebwerken, Ätzkammern und Raketendüsen eingesetzt werden kann.

Neben Vespel^® gibt es auch eine Vielzahl von anderen Polyimiden. Polyimid ist nämlich eine Werkstoffklasse aromatischer Hochleistungspolymere, bei der Imid-Ringe in die Hauptkette der Molekülstruktur eingebaut sind. Diese Ringe geben dem Material seine außergewöhnliche thermische und chemische Stabilität.

Als langjähriger Experte in der Zerspanung von Kunststoffen ist Hänssler bestens darauf ausgelegt, sowohl Vespel^® als auch andere anspruchsvolle Polyimid Kunststoffe (wie TECASINT) zu verarbeiten.

Polyimid (PI) und Vespel^® im Vergleich zu PEEK und PTFE

Bei Raumtemperatur liegen Polyimid und PEEK bei der Zugfestigkeit nah beieinander, PTFE ist deutlich schwächer. Der relevante Unterschied zeigt sich bei Temperatur und Dauerlast.

PEEK ist als Konstruktionskunststoff oft die erste Wahl, solange die Bauteiltemperatur unter 250 Grad Celsius bleibt und keine ionisierende Strahlung ins Spiel kommt. PEEK ist spritzgießbar, damit in Serie günstiger als Vespel^®, und mit Glas- oder Kohlefaserfüllung mechanisch sehr belastbar. Oberhalb seines Schmelzpunkts von 343 Grad ist jedoch Schluss, und unter Dauerlast bei 260 Grad beginnt PEEK deutlich früher zu kriechen als Polyimid.

PTFE wird in anderen Anwendungen verwendet. Sein Reibwert ist extrem niedrig, und es bleibt chemisch praktisch gegen alles inert. Unter mechanischer Last kriecht PTFE allerdings stark, auch bei Raumtemperatur. Deshalb fällt es als Lasttragwerkstoff aus. Oberhalb von etwa 260 Grad beginnt PTFE auszugasen, über 400 Grad setzt die Zersetzung ein. Ionisierende Strahlung schwächt PTFE deutlich schneller als Polyimid.

Die Entscheidungslogik ist damit klar. Für dauerhaft heiße, strahlungsbelastete oder kriechkritische Bauteile führt kein Weg an Polyimid vorbei. Wo die Temperatur unter 250 Grad bleibt und Serienstückzahlen zählen, ist PEEK oft wirtschaftlicher. Wo Chemikalienbeständigkeit und niedrige Reibung gefragt sind und die Last geringer ist eignet sich PTFE.

Die wichtigsten Vespel^®-Grades

Vespel^® selbst ist eine Produktfamilie. DuPont vertreibt unterschiedliche Grades, die all ihre eigenen Eigenschaften mitbringen. Jeder Grade ist für ein bestimmtes Eigenschaftsprofil optimiert.

Die Vespel^® SP Familie

SP-1

Vespel^® SP-1 ist das Basisharz der SP-Familie, also reines Polyimid ohne jeglichen Füllstoff. Dadurch erreicht es die höchste mechanische Festigkeit und Zugfestigkeit aller SP-Grades. Gleichzeitig bietet es den besten elektrischen Isolationswert, was es zur ersten Wahl für Anwendungen macht, in denen dielektrische Eigenschaften entscheidend sind. SP-1 kommt überall dort zum Einsatz, wo maximale Strukturfestigkeit bei gleichzeitig hoher Temperaturbeständigkeit gefragt ist, etwa in der Halbleiterfertigung oder bei elektrischen Isolierbuchsen.

SP-21

Vespel^® SP-21 ist der meistverwendete Allrounder der SP-Reihe. Das Polyimid ist mit 15 Prozent Graphit gefüllt, was die Verschleißfestigkeit gegenüber dem ungefüllten SP-1 deutlich hebt und gleichzeitig den Reibwert senkt. Damit eignet sich SP-21 besonders für Gleitlager, Kolbenringe und Anlaufscheiben, bei denen moderate Reibung und gute mechanische Belastbarkeit zusammenkommen müssen. Wer einen vielseitigen Werkstoff für tribologische Anwendungen unter atmosphärischen Bedingungen sucht, greift in der Regel zuerst zu SP-21.

SP-211

Vespel^® SP-211 kombiniert 15 % Graphit mit zusätzlich 10 % PTFE. Diese Doppelfüllung ergibt den niedrigsten Reibungskoeffizienten der gesamten SP-Reihe, weshalb SP-211 die bevorzugte Wahl für Führungselemente, Gleitdichtungen und Anwendungen mit minimalem Losbrechmoment ist. Der Kompromiss liegt in einer geringeren mechanischen Belastbarkeit, da das PTFE die Matrixfestigkeit leicht reduziert. SP-211 Stärke wird überall dort genutzt, wo geringstmögliche Reibung wichtiger ist als maximale Tragfähigkeit.

SP-22

Vespel^® SP-22 hat mit 40 Prozent den höchsten Graphitanteil der SP-Familie. Es hat die geringsten Wärmeausdehnung aller SP-Grades und ein nochmals verbesserten Kriechverhalten unter Dauerlast. Dafür hat es eine reduzierte Zugfestigkeit, da der hohe Füllstoffanteil die Polyimidmatrix verdrängt. SP-22 kommt dann zum Einsatz, wenn Bauteile bei häufigen Temperaturwechseln enge Toleranzen halten müssen – typisch sind Dichtungssitze, Passungsteile und thermisch wechselbelastete Buchsen.

SP-3

Vespel^® SP-3 ist mit Molybdändisulfid (MoS₂) gefüllt und speziell für Vakuum und trockene Atmosphären entwickelt. Der Hintergrund: Graphit braucht Luftfeuchte, um als Feststoffschmierstoff zu wirken – im Vakuum versagt dieses Prinzip. MoS₂ dagegen bildet auch ohne Feuchtigkeit einen stabilen Schmierfilm und senkt den Verschleiß zuverlässig. Deshalb ist Vespel^® SP-3 die erste Wahl für Satellitenmechanismen, Raumfahrtaktuatoren und Vakuumlager, wo über Jahre hinweg kein Nachschmieren möglich ist.

SCP-5000

Vespel^® SCP-5000 gehört zur neuen SCP-Werkstoffgeneration und ist wie SP-1 ein ungefülltes Polyimid – allerdings mit nochmals gesteigerter thermischer Stabilität und verbesserter Dimensionsstabilität. Die herausragende Eigenschaft ist eine extrem niedrige Wasserstoffpermeation, die diesen Grade für den Kontakt mit gasförmigem und flüssigem Wasserstoff qualifiziert. Typische Einsatzgebiete sind statische Dichtungen in Raketenantrieben, Brennstoffzellen und der wachsenden H₂-Infrastruktur.

SCP-5009

Vespel^® SCP-5009 ist ein graphitgefüllter Grade der neuen SCP-Generation mit verbesserten tribologischen Eigenschaften gegenüber dem klassischen SP-21. Es bietet eine herausragende Kombination aus hoher Druckfestigkeit und geringer Kriechneigung, selbst unter extremen Bedingungen. Dazu kommt ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, der gute Dichtungseigenschaften ermöglicht. SCP-5009 eignet sich besonders für Hochdruck-Dichtungsanwendungen.

SCP-50094

Vespel^® SCP-50094 ist auf maximale Belastbarkeit unter hohen Temperaturen und aggressiven Medien ausgelegt. Dieser Grade hat den höchsten PV-Grenzwert (Druck × Geschwindigkeit) aller Vespel®-Grades und kombiniert hervorragende mechanische Eigenschaften mit Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit. Hinzu kommt eine überlegene chemische und oxidative Beständigkeit, die langfristigen Einsatz unter aggressiven Betriebsbedingungen ermöglicht.

SCP-5050

Vespel^® SCP-5050 ist der Verschleiß- und Hochtemperatur-Spezialist der SCP-Familie. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist ähnlich zu dem von Stahl, sodass es in Baugruppen mit metallischen Gegenteilen und engen Toleranzen zuverlässig funktioniert. Gleichzeitig bietet es den niedrigsten CTE und die beste Verschleißfestigkeit aller SCP-Grades. Führende Triebwerkshersteller nutzen SCP-5050 in Motoranwendungen, um Metallteile in Hochtemperaturumgebungen zu ersetzen.

Alle Vespel^® Grades finden Sie auf der Seite von DuPont.

Die TECASINT Polyimid Reihe, die wir auch verarbeiten, finden Sie auf der Seite von Ensinger.

Was Polyimid von anderen Kunststoffen unterscheidet

Polyimid hat fünf Eigenschaften, die in dieser Kombination bei keinen anderen Kunststoff zu finden sind.

Extreme Temperaturbeständigkeit

Der erste Punkt ist die Temperaturbeständigkeit. Vespel^® arbeitet dauerhaft bei 260 Grad Celsius, in bestimmten Lageranwendungen bis 350 Grad. Kurzzeitige Exkursionen bis 482 Grad werden überstanden, ohne dass das Bauteil geometrisch nachgibt. Genauso wichtig ist das Verhalten nach unten: Vespel^® bleibt bis in kryogene Bereiche mechanisch nutzbar, etwa in flüssigem Wasserstoff oder flüssigem Sauerstoff. Raketen-Ventilsitze aus Vespel^® arbeiten in derselben Baugruppe sowohl bei minus 253 Grad als auch bei mehreren hundert Grad Heißgas-Nachlauf.

Druckfestigkeit unter Temperatur

Der zweite Punkt ist die Druckfestigkeit unter Temperatur. Viele Kunststoffe halten bei Raumtemperatur hohe Lasten aus, geben aber bei 200 Grad innerhalb von Stunden nach, eben weil sie kriechen. Vespel^® kriecht auch bei Dauerlast und hoher Temperatur, aber nur minimal. Für Ventilsitze, die über Jahre blasendicht schließen sollen, ist das die entscheidende Eigenschaft.

Niedrige Dichte

Der dritte Punkt ist die niedrige Dichte. Mit 1,43 Gramm pro Kubikzentimeter für SP-1 ist Vespel^® deutlich leichter als jedes Metall, das vergleichbare Temperaturen aushält. In einem Flugtriebwerk, in dem hunderte Buchsen und Scheiben sitzen, summiert sich dieser Gewichtsvorteil auf messbare Kraftstoffeinsparung.

Strahlungsresistenz

Der vierte Punkt ist die Strahlungsresistenz. Erst bei Gamma-Dosen ab größer als 10⁸ Rad, beginnen sich die mechanischen Kennwerte von Vespel^® SP-1 nennenswert zu verändern. Das eröffnet Polyimid Einsätze in Kernkraftwerken, Teilchenbeschleunigern und im Strahlungsumfeld von Satellitenbahnen.

Weltraumtauglichkeit

Der fünfte Punkt ist das Outgassing-Verhalten. Im Vakuum geben Polymere grundsätzlich flüchtige Bestandteile ab, die in der Raumfahrt Optiken beschlagen und Sensoren verschmutzen können. Vespel^® liegt hier niedrig, aber nicht automatisch unter den strengen NASA-Kriterien der Norm ASTM E595, die einen Masseverlust unter einem Prozent und kondensierbare Anteile unter 0,1 Prozent fordert. Vespel^®SP-1 bewegt sich am oberen Rand dieses Fensters und wird für kritische Missionen häufig ausgeheizt; Vespel^®SP-3 und die Vespel^®SCP-Reihe sind die bessere Wahl, wenn die Toleranzen enger werden. Ja Vespel^® ist weltraumtauglich, aber dennoch sind die richtige Grade-Wahl und Vorbehandlung essenziell.

Wo wird Vespel^® und Polyimid (PI) verwendet?

Luft- und Raumfahrt

Der größte Einzelmarkt für Vespel^® ist das Flugtriebwerk. Hier herrschen Dauertemperaturen von über 300 Grad Celsius bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastung. Im Ölsystem können Polyimid-Teile als statische Dichtungselemente eingesetzt werden. Weiter vorn in den Aktuatoren und Schubumkehrvorrichtungen, können Führungselemente aus Vespel^®, die Betriebstemperatur als auch die mechanischen Wechsellasten jedes Start- und Landezyklus überstehen.

In der Raumfahrt empfehlen wir Vespel^®SP-3 oder eine ähnliche Polyimid Konfiguration. Vespel^®SCP-5000 ist für statische Dichtungen in Wasserstoff- und Sauerstoffsystemen am besten geeignet.

Halbleiter

Der zweitgrößte Markt ist die Halbleiterfertigung, konkret die Plasma-Ätzkammern. Gefordert sind gleichzeitig hohe Temperaturbeständigkeit, geringer Partikelausstoß im Plasma, chemische Inertheit gegen reaktive Gase und die elektrische Isolation empfindlicher Bauteile. Polyimid erfüllt dieses Profil und spezielle Vespel^® SCP-Grades verbessern die Plasmaresistenz nochmals. Bei chemisch-mechanischer Planarisierung, also im CMP-Bereich reicht PPS oder PEEK-Compounds häufig aus.

Öl, Gas und Wasserstoff

Im Öl- und Gasgeschäft wird Vespel^® in Downhole-Ventilen und Hochdruckdichtungen verwendet. Bohrlöcher erreichen heute Temperaturen über 200 Grad bei gleichzeitig mehreren hundert Bar Druck und chemisch aggressiven Medien. Vespel^®-Ventilsitze erreichen in diesen Bedingungen einen blasendichten Abschluss und überstehen die thermischen und mechanischen Wechsellasten des Förderbetriebs. Stem-Packs und Polyimid-Gehäusekomponenten in Ventilköpfen runden das Bild ab. Im Wasserstoffgeschäft – von der Elektrolyseur-Peripherie bis zur Tankarmatur – wird Vespel^®SCP-5000, wegen seiner niedrige H₂-Permeation verwendet.

Motorsport und Fahrzeugtechnik

In Hochleistungsfahrzeugen werden Polyimid-Drehteile dort verwendet, wo Gewicht und Temperatur gleichzeitig kritisch sind. Vespel^®SP-21 ist als Druckscheibe in Getrieben verbreitet, weil es dünner und leichter baut als ein Nadellager aus Metall und damit direkt Bauraum und Masse spart. In Turboladern übernehmen Vespel^®-Buchsen die Führung der Wastegate-Aktuatoren: Die Abgastemperatur kann kurzzeitig extreme Werte erreichen, und weil Vespel^® keinen Schmelzpunkt hat, beeinträchtigen solche Temperaturspitzen nicht direkt die Funktion. Vergleichbare Einsätze finden sich in Doppelkupplungen, Differentialen und Fahrwerksaktuatoren.

Medizintechnik

Medizinische Anwendungen sind ein kleinerer, aber wachsender Bereich. Polyimid ist in Marktübersichten für nach USP Class VI geprüfte Werkstoffe gelistet. Das bedeutet nicht, dass jedes Vespel^®-Teil automatisch in einem Medizinprodukt verwendet werden darf – die biologische Bewertung nach ISO 10993 gehört zur Pflicht des Geräteherstellers und bezieht sich auf das fertige, sterilisierte Bauteil. Wenn dieser Schritt durchlaufen ist, zeichnen sich Vespel^®-Teile durch ihre Temperaturbeständigkeit aus: Autoklavzyklen bei 134 Grad Celsius und Gamma-Sterilisation verkraftet der Werkstoff ohne Eigenschaftsverlust.

Normen und Spezifikationen

Wer Vespel^® in einem Projekt spezifiziert, stützt sich auf einen festen Satz von Normen. Die zentrale Werkstoffspezifikation in der Luftfahrt ist AMS 3644H der SAE. Sie definiert polyimidbasierte Formteile in Rund-, Platten- und Rohrform. Parallel gilt ASTM D6456 als zivile Standardspezifikation, die die frühere Militärnorm MIL-R-46198 ersetzt hat. Im Raumfahrt-Kontext ist ASTM E595 die zentrale Outgassing-Norm, ergänzt durch die NASA- und ESA-Datenbanken, in denen konkrete Werkstoffchargen geführt werden.

Wann lohnt sich Vespel^® und Polyimid?

Vespel^® und auch andere Polyimide sind keine Allround-Kunststoffe. Der Werkstoff ist teuer, die Verfügbarkeit ist begrenzt. Wer sich für Vespel^® oder einen anderen Polyimid Kunststoff (wie zum Beispiel TECASINT) entscheidet, hat die Alternativen durchdacht und einen Grund gefunden, warum sie nicht reichen. Bei solchen teuren Materialien empfehlen wir in jedem Fall eine Abstimmung und gemeinsame Entwicklung mit einem Kunststoffexperten.